碳填料和深冷处理对聚醚酰亚胺复合材料的力学与摩擦磨损性能的影响

Polyetherimide (PEI) is one kind of special thermoplastics with outstanding overall performance and is an ideal candidate for metals in various industrial applications. However, its mechanical and tribological properties are not comparable to those of metals and have to be enhanced for industrial applications to replace metals. This project is proposed to utilize short carbon fibers (SCF), graphite and graphene to synergistically strengthen and toughen PEI composites. Extrusion compounding and injection moulding techniques will be employed to manufacture multi-carbon/PEI composites. It is expected that synergistic effects of SCF, graphite and graphene will be yielded in enhancing the mechanical and tribological properties of PEI composites. Then, the effect of cryogenic treatment on the mechanical and tribological properties of PEI composites will be systematically studied. A focus will be paid to the combined effects of processing condition, material formulation and cryogenic treatment on the microstructure and thus on the mechanical and tribological properties of the PEI composites. Finally, the PEI composite with high strength, high modulus, high toughness and high wear resistance are to be obtained.

聚醚酰亚胺(PEI)作为一种具有优异综合性能的特种工程塑料，在很多行业中是金属材料的理想替代品。然而，PEI的力学性能和摩擦磨损性能难以与金属材料比拟，需要对其进行改性提高。本项目拟利用短碳纤、石墨和石墨烯协同增强增韧PEI复合材料。使用挤出和注塑成型技术制备多元碳改性PEI复合材料，预计短碳纤、石墨和石墨烯之间有望对PEI复合材料力学和摩擦磨损性能产生协同效果，然后系统研究深冷处理进一步改善PEI复合材料的力学性能和摩擦磨损性能。重点揭示工艺条件、成分配比和深冷处理对PEI复合材料的微观结构，进而对复合材料力学性能和摩擦磨损性能的影响，从而获得高强、高模、高断裂韧性和高耐磨PEI复合材料。

以聚醚酰亚胺（PEI）为代表的特种工程塑料作为国家关键战略材料在高端重大装备中的应用不断增加。然而相比传统的金属、陶瓷等材料，其力学与摩擦磨损性能较低，无法适用于需要高承载或高耐磨能力的应用领域。项目使用氧化石墨烯GO、碳纳米管CNT（纳米）与短碳纤维SCF（微米）多尺度碳填料与PEI树脂复合，借助于熔融混合挤出与注塑成型技术制备出了高品质PEI复合材料。针对上述PEI复合材料，项目首先基于试验测试表征手段系统地研究了多尺度碳填料在室温和高低温测试环境下对PEI复合材料力学性能的影响规律；为研究纳米上浆剂对纤维-基体界面的改性机制，项目建立了单丝纤维/热塑性单胞有限元模型，讨论了不同界面结合情况、填料形貌对力学响应的作用，分析了在单丝断裂和单丝顶入过程中的界面载荷传递机制；为进一步增强PEI复合材料的力学性能，项目对PEI复合材料进行冷热循环处理以达到消除材料内部热残余应力的目的，研究结果表明PEI复合材料的室温拉伸强度和杨氏模量非但不下降反而明显增加，且上浆剂对复合材料力学性能仍具有增强作用；与此同时，项目获取了PEI复合材料在粘弹性范围内的形变量-时间关系，研究了材料形变量随着细观结构参数的变化规律，建立了考虑材料细观结构的PEI复合材料粘弹本构关系；项目开展了PEI复合材料摩擦磨损性能测试试验，研究材料细观结构、运行状态对摩擦磨损性能的影响，建立了PEI复合材料热粘弹有限元磨损模型，结合接触面微观形貌表针分析，揭示了填料对PEI复合材料摩擦磨损性能的作用机理；围绕上述实验与理论结果，构建了PEI复合材料力学与摩擦磨损服役行为的基础数据库与性能预测软件平台。